材料分析方法13-扫描电子显微镜

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hbgdsjb材料现代分析方法

扫描电子显微镜河北工业大学材料学院孙继兵E-mail:hbgdsjb@126.comTel:022-265822881扫描电子显微镜扫描电子显微镜是以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。分辨率已优于3～4nm，放大倍数从数倍原位放大到40万倍左右。景深比光学显微镜大，可以进行显微断口分析。由于电子枪的效率不断提高，使扫描电子显微镜的样品室附近的空间增大，可以装入更多的探测器。目前的扫描电子显微镜可进行形貌、成分分布、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。HebeiUniversityofTechnology2Teacher:SunJi-bing本章内容第一节电子束与固体样品作用第二节扫描电子显微镜的构造和工作原理第三节扫描电子显微镜的主要性能第四节二次电子成像原理－表面形貌衬度第五节背散射电子衬度原理及其应用HebeiUniversityofTechnology3Teacher:SunJi-bing第一节电子束与固体样品作用HebeiUniversityofTechnology4Teacher:SunJi-bing信息深度非弹性散射平均自由程：具有一定能量的电子连续发生两次非弹性碰撞之间所经过的距离的平均值。衰减长度：I=I0e－t/λ，当电子穿过t=λ厚的覆盖层后，它的强度将衰减为原来的1/e,称λ为衰减长度。逸出深度：通常近似地把衰减长度λ当作电子的非弹性散射平均自由程，亦称为逸出深度。衰减长度和电子能量的关系：经验公式：λ=(Ai/E2)+BiE1/2其中A、B对于不同的元素及化合物有不同的值.信息深度：信号电子所携带的信息来自多厚的表面层？通常用出射电子的逃逸深度来估计。但是当出射电子以同表面垂直方向成θ角射出时，电子所反映的信息深度应该是：d=λcosθ

HebeiUniversityofTechnology5Teacher:SunJi-bingHebeiUniversityofTechnology6Teacher:SunJi-bing一、背散射电子背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非稗性背散射电子。弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的，散射角大于90的那些入射电子，其能量没有损失（或基本上没有损失）。由于入射电子的能量很高，所以弹性背散射电子的能量能达到数千到数万电子伏。非弹性背散射电子是入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，不仅方向改变，能量也有不同程度的损失。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏直到数千电子伏。从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。信息深度：背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围。衬度来源：由于它的产额能随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。HebeiUniversityofTechnology7Teacher:SunJi-bing二、二次电子二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做二次电子。二次电子是一种真空中的自由电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离，使原子电离。一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子，这些自由电子中90％是来自样品原子外层的价电子。二次电子的能量较低，一般都不超过810-19J（50eV）。大多数二次电子只带有几个电子伏的能量。在用二次电子收集器收集二次电子时，往往也会把极少量低能量的非弹性背散射电子一起收集进去。事实上这两者是无法区分的。信息深度：二次电子一般都是在表层5~10nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感。衬度来源：二次电子能非常有效地显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分析。HebeiUniversityofTechnology8Teacher:SunJi-bing三、吸收电子入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽（假定样品有足够的厚度没有透射电子产生），最后被样品吸收。若在样品和地之间接人一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。假定入射电子电流强度为i0，背散射电子流强度为ib二次电子流强度为is，则吸收电子产生的电流强度为ia=i0-（ib+is）。入射电子束和样品作用后，若逸出表面的背散射电子和二次电子数量越少，则吸收电子信号强度越大。由于不同原子序数部位的二次电子产额基本上是相同的，则产生背散射电子较多的部位（原子序数大）其吸收电子的数量就较少。吸收电子能产生原子序数衬度和表面形貌衬度，它的衬度恰好和二次电子或背散射电子信号调制的图像衬度相反。对吸收电子的检测没有专门的检测器，主要是对流经样品中的电流进行放大测量。通过改变透镜激磁的大小能使吸收电流在10－6～10－2A之间变化。HebeiUniversityofTechnology9Teacher:SunJi-bing四、透射电子如果被分析的样品很薄，那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。这里所指的透射电子是采用扫描透射操作方式对薄样品成像和微区成分分析时形成的透射电子。这种透射电子是由直径很小（＜10nm）的高能电子束照射薄样品时产生的，透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构来决定。透射电子中除了有能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些遭受特征能量损失E的非弹性散射电子（即特征能量损失电子）和分析区域的成分有关，因此，可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。HebeiUniversityofTechnology10Teacher:SunJi-bing不同透射电子的区别利用透射电子获得的扫描电镜的透射电子象与通常的透射电镜获得的图像相近，但具有一些特点：（1）在进行厚样品的观察时，在透射电镜中会由于电子在样品中的能量损失，使图像产生模糊。但在扫描电镜中，因为在样品后没有成像透镜，因此可以不考虑色散而获得比较清晰的图像。（2）在透射电镜中，一般由样品本身决定图像的衬度，不能任意改变。而在扫描电镜中，则可以改变放大器的特性，调整图像的衬度。（3）利用能量分析，可以获得透射电子的能量损失信息，获得有关与样品组份有关的信息。透射电子的能量损失分析与X射线的产生无关，可以对轻元素进行分析。HebeiUniversityofTechnology11Teacher:SunJi-bing五、不同信号间关系如果使样品接地保持电中性，那么入射电子激发固体样品产生的四种电子信号强度与入射电子强度之间必然满足以下关系：

ib+is+ia+it=i0式中ib——背散射电子信号强度；

is——二次电子信号强度；

ia——吸收电子（或样品电流）信号强度；

it——透射电子信号强度。

HebeiUniversityofTechnology12Teacher:SunJi-bing改写为当入射电子能量和强度一定时，随样品质量厚度rt的增大，透射系数t下降，而吸收系数a增大。当样品厚度超过有效穿透深度后，透射系数等于零。因此，对于大块试样，样品同一部位的吸收系数，背散射系数和二次电子发射系数三者之间存在互补关系。HebeiUniversityofTechnology13Teacher:SunJi-bing六、特征X射线当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X射线释放出来根据莫塞莱定律，如果我们用X射线探测器测到了样品微区中存在某一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素。HebeiUniversityofTechnology14Teacher:SunJi-bing七、俄歇电子在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去（或使空位层的外层电子发射出去），这个被电离出来的电子称为俄歇电子。因为每一种原子都有自己的特征壳层能量，所以其俄歇电子能量也各有特征值。俄歇电子的能量很低，一般位于810-9～24010-19J(50~1500eV）范围内。俄歇电子的平均自由程很小（1nm左右），因此在较深区域中产生的俄歇电子在向表层运动时必然会因碰撞而损失能量，使之失去了具有特征能量的特点。只有在距离表面层1nm左右范围内（即几个原子层厚度）逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特别适用做表面层成分分析。HebeiUniversityofTechnology15Teacher:SunJi-bing第二节扫描电子显微镜的构造和工作原理电子光学系统（镜筒）

信号收集处理、图像显示和记录系统真空系统样品室电子枪电磁透镜扫描线圈一、扫描电子显微镜的构造HebeiUniversityofTechnology16Teacher:SunJi-bing1、电子枪扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子显微镜低。2、电磁透镜扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是作聚光镜用；它们的功能只是把电子枪的束斑（虚光源）逐级聚焦缩小，使原来直径约为50m的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点；要达到这样的缩小倍数，必须用几个透镜来完成。HebeiUniversityofTechnology17Teacher:SunJi-bing电磁透镜扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜；前两个聚光镜是强磁透镜，可把电子束光斑缩小；第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距。布置这个未级透镜（习惯上称之为物镜）的目的：在于使样品室和透镜之间留有一定的空间，以便装入各种信号探测器。扫描电子显微镜中照射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。采用普通热阴极电子枪时，扫描电子束的束径可达到6nm左右。若采用六硼化镧阴极和场发射电子枪，电子束束径还可进一步缩小。HebeiUniversityofTechnology18Teacher:SunJi-bing3．扫描线圈扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。电子束在样品表面进行扫描有两种方式：光栅扫描方式和角光栅扫描或摇摆扫描。HebeiUniversityofTechnology19Teacher:SunJi-bing光栅扫描方式进行形貌分析时都采用光栅扫描方式。当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。发生二次偏转的电子束通过未级透镜的光心射到样品表面。在电子束偏转的同时还带有一个逐行扫描动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在样品上也画出一帧比例图像。样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器接收，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。HebeiUniversityofTechnology20Teacher:SunJi-bing角光栅扫描或摇摆扫描如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由未级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摆动的角度也越大。在进行电子通道花样分析时，我们将采用这种操作方式。HebeiUniversityofTechnology21Teacher:SunJi-bing4、样品室样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。各种不同信号的收集和相应检测器安放在不同位置。样品台本身是一个复杂而精密的组件，它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验（如拉伸和疲劳）。HebeiUniversityofTechnology22Teacher:SunJi-bing二、信号的收集和图像显示系统二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各点状态的扫描电子显微图像。HebeiUniversityofTechnology23Teacher:SunJi-bing三、真空系统为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作，对镜筒内的真空度有一定的要求。一般情况下，如果真空系统能提供1.3310-2~1.3310-3Pa（10-4~10-5mmHg）的真空度时，就可防止样品的污染。如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。HebeiUniversityofTechnology24Teacher:SunJi-bing四、扫描电镜工作原理由热阴极电子枪发射出的电子在电场作用下加速，经过2、3个电磁透镜的作用，在样品表面聚焦成为极细的电子束(最小直径为1－10nm)．该细电子束在末透镜上方的双偏转线圈作用下，在样品表面扫描．被加速的电子束与样品室中的样品相互作用，激发样品产生出各种物理信号，其强度随样品表面特征而变．与闭路电视系统类似，样品表面不同的特征信号，被按顺序、成比例地转换为视频信号．通过对其中某种物理信号的检测、视频放大和信号处理，调制阴极射线管(CRT)的电子束强度，从而在CRT荧光屏上获得能反映样品表面特征的扫描图像．HebeiUniversityofTechnology25Teacher:SunJi-bing第三节扫描电子显微镜的主要性能1、电子束与轻元素样品表面作用电子束进入轻元素样品表面后会造成一个滴状作用体积。入射电子束在被样品吸收或散射出样品表面之前将在这个体积中活动。①俄歇电子和二次电子因其本身能量较低以及平均自由程很短，只能在样品的浅层表面内逸出，在一般情况下能激发出俄歇电子的样品表层厚度约为0.5~2nm，激发二次电子的层深为5～10nm范围。入射电子束进入浅层表面时，尚未向横向扩展开来，因此，俄歇电子和二次电子只能在一个和入射电子束斑直径相当的圆柱体内被激发出来，因为束斑直径就是一个成像检测单元（像点）的大小，所以这两种电子的分辨率就相当于束斑的直径。一、分辨率二次电子的分辨率就是扫描电镜的分辨率HebeiUniversityofTechnology26Teacher:SunJi-bing②背散射电子：入射电子束进入样品较深部位时，向横向扩展的范围变大，从这个范围中激发出来的背散射电子能量很高，它们可以从样品的较深部位处弹射出表面，横向扩展后的作用体积大小就是背散射电子的成像单元，从而使它的分辨率大为降低。③入射电子束还可以在样品更深的部位激发出特征X射线来。从图上X射线的作用体积来看，若用X射线调制成像，它的分辨率比背散射电子更低。HebeiUniversityofTechnology27Teacher:SunJi-bing各种信号成像的分辨率各种信号成像的分辨率（单位为nm）信号二次电子背散射电子吸收电子特征X射线俄歇电子分辨率5--1050-200100-1000100-10005-10电子能谱：电子发射强度按能量的分布HebeiUniversityofTechnology28Teacher:SunJi-bing2、电子束与重元素样品作用电子束射入重元素样品中时，作用体积不呈滴状，而是半球状。电子束进入表面后立即向横向扩展，因此在分析重元素时，即使电子束的束斑很细小，也不能达到较高的分辨率，此时二次电子的分辨率和背散射电子的分辨率之间的差距明显变小。HebeiUniversityofTechnology29Teacher:SunJi-bingSEM分辨率的影响因素在其它条件相同的情况下（如信号噪音比、磁场条件及机械振动等）检测部位的原子序数电子束的束斑大小检测信号的类型SEM分辨率扫描电子显微镜的分辨率测定：是通过测定图像中两个颗粒（或区域）间的最小距离来确定的。测定的方法是在已知放大倍数（一般在10万倍）的条件下，把在图像上测到的最小间距除以放大倍数所得数值就是分辨率。扫描电子显微镜的分辨率，即二次电子像的分辨率。HebeiUniversityofTechnology30Teacher:SunJi-bing二、放大倍数当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度为As，相应地在荧光屏上阴极射线同步扫描的幅度是Ac，Ac和As的比值就是扫描电子显微镜的放大倍数，即M=Ac/As由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定不变的，电子束在样品上扫描一个任意面积的矩形时，在阴极射线管上看到的扫描图像大小都会和荧光屏尺寸相同。因此我们只要减小镜筒中电子束的扫描幅度，就可以得到高的放大倍数，反之，若增加扫描幅度，则放大倍数就减小。HebeiUniversityofTechnology31Teacher:SunJi-bing第四节二次电子成像原理－表面形貌衬度二次电子信号主要用于分析样品的表面形貌。二次电子只能从样品表面层5~10nm深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm时，虽然入射电子也能使核外电子脱离原子而变成自由电子，但因其能量较低以及平均自由程较短，不能逸出样品表面，最终只能被样品吸收。

被入射电子束激发出的二次电子数量和原子序数没有明显的关系，但是二次电子对微区表面的几何形状十分敏感。

HebeiUniversityofTechnology32Teacher:SunJi-bing二次电子像的表面形貌衬度样品中电子束的入射角样品表面的化学成份样品和检测器的几何位置二次电子像的衬度HebeiUniversityofTechnology33Teacher:SunJi-bing二次电子强度与入射角的关系垂直于样品表面入射一次电子时，样品表面所产生的二次电子的量最小。随着倾斜度的增加，二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的强度分布反映了样品表面的形貌信息。由于在样品表面存在很多的凹叠面，到处存在30～50度的倾斜角，因此，在电镜观察时不一定需要将样品倾斜起来。但在观察表面非常光滑的样品时，则必须把样品倾斜起来。在扫描电镜分析时，一般倾斜角不大于45度，过大的倾斜角会使样品的聚焦困难，并观察不到被阴影部分遮盖的部分。HebeiUniversityofTechnology34Teacher:SunJi-bing二次电子与角度的关系HebeiUniversityofTechnology35Teacher:SunJi-bing二次电子形貌衬度的示意图图中样品上B面的倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低。C面倾斜度最大，亮度也最大。HebeiUniversityofTechnology36Teacher:SunJi-bing实际样品表面的形貌凸出的尖棱小粒子以及比较陡的斜面处二次电子产额较多，在荧光屏上这些部位的亮度较大；平面上二次电子的产额较小，亮度较低；深的凹槽底部虽然也能产生较多的二次电子，但这些二次电子不易被检测器收集到，因此糟底的衬度也会显得较暗。HebeiUniversityofTechnology37Teacher:SunJi-bing样品成份的差异

二次电子的产量与样品表面元素的原子序数有关。因此，虽然样品表面很平坦，但元素成份不同就可以产生二次电子象的衬度。因此，在观察绝缘样品时，在样品表面蒸发一层重金属比蒸发轻金属可获得更好的二次电子象。利用扫描电镜的景深大以及衬度与形貌的关系，可以通过多张照片观察样品的立体形貌。

HebeiUniversityofTechnology38Teacher:SunJi-bing样品表面与检测器的位置关系正电压可以吸引能量较低的二次电子。因为面对检测器表面的电子更容易被检测器检测，因此，直接面对检测器的样品表面的二次电子象总是比背着检测器的表面亮。可提高成像衬度。此外，形成像衬度的主要因素还有样品表面电位分布的差异等。优点：层次、细节清楚。HebeiUniversityofTechnology39Teacher:SunJi-bing充电现象当样品的导电性差时，在样品表面可以积累电荷，使表面产生电压降，入射电子的能量将发生变化，同时二次电子的产率也可以发生变化。充电过程可以在样品表面形成电场，不仅影响电子束的扫描过程，还会改变图像的亮度，对二次电子象产生严重影响。HebeiUniversityofTechnology40Teacher:SunJi-bing二次电子形貌衬度的应用HebeiUniversityofTechnology41Teacher:SunJi-bing第五节背散射电子衬度原理及其应用高能入射电子在样品表面受到弹性散射后可以被反射出来，该电子的能量保持不变，但方向发生了改变，该类电子称为反射电子。入射电子数与反射电子数的比称为反射率。进入检测器的发射电子数目还与样品表面的倾斜角度有关，随倾角θ增加而增加，背散射电子产额增加，因此背散射电子像具有样品表面的形貌信息。同时背散射电子像具有样品表面的化学成份信息。信息深度是0.1～1微米。HebeiUniversityofTechnology42Teacher:SunJi-bing原子序数对背散射电子产额的影响在原子序数Z小于40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。在进行分析时，样品上原子序数较高的区域中由于收集到的背散射电子数量较多，故荧光屏上的图像较亮。因此，利用原子序数造成的衬度变化可以对各种金属和合金进行定性的成分分析。样品中重元素区域相对于图像上是亮区，而轻元素区域则为暗区。HebeiUniversityofTechnology43Teacher:SunJi-bing背散射电子像HebeiUniversityofTechnology44Teacher:SunJi-bing背散射电子运动路线用背散射电子信号进行形貌分析时，成像单元变大，分辨率远比二次电子低背散射电子的能量很高，因此不需要对电子实行再加速，它们就以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子而变成一片阴影，因此在图像上显示出很强的衬度，衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。二次电子信号以弧形路线进入闪烁体，细节清楚。

HebeiUniversityofTechnology45Teacher:SunJi-bing形貌与元素像的分离一般反射电子象直接采用二次电子象的电子检测器，或使用p－n结半导体器件检测器。利用两个p-n结器件检测器和运算电路，可以分离反射电子的元素成份像和表面形貌像。对于表面平坦而原子序数不同的样品，如果A和B检测器的信号相减，其总信号等于零，则A和B信号相加倍增，此时获得的反射电子像仅含有元素成份的信息，可以得到成份像，而形貌像不出现。对成份均匀但表面不平的样品，当AB两个信号检测器的信号相加为零时，其信号相减信号成倍，这时获得的反射电子象只具有形貌的信息，而不包含成份的信息，因此可以获得形貌像。HebeiUniversityofTechnology46